Химический реактор радиального типа Советский патент 1990 года по МПК B01J8/04 

Изобретение относится к конструкции химических реакторов радиального типа со слоем катализатора и может быть применено в химической промышленности.

Целью изобретения является улучшение качества получаемой продукции и рационального использования катализатора за счет обеспечения равномерного распределения потока реагента по окружности слоя катализатора.

На фиг. 1 схематично показан реактор, обший вид, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Химический реактор радиального типа содержит слой катализатора 1, ограждающие решетки 2 и 3, торцовые стенки 4 и 5, обечайку 6, кольцевой распределительный канал 7, вытеснительный стержень 8, канал 9 для вывода теплоносителя, выходной патрубок 10, пористую кольцевую стенку 11, «улиточный канал 12, наружную обечайку 13, искусственную шероховатость 14.

Слой катализатора 1 расположен неподвижно между ограждающими решетками 2 и 3 и торцовыми стенками 4 и 5. Слой и ограждающие его элементы установлены внутри обечайки 6 таким образом, что между ее внутренней поверхностью и внешней ограждающей решеткой образуется кольцевой распределительный канал 7. Полость внутренней решетки и вставленный в нее вытеснительный стержень 8 образуют канал 9 для вывода теплоносителя, который соединен с выходным патрубком 10. Во входном сечении реактора установлено устройство для равномерного ввода реагента, состояшее из пористой кольцевой стенки 11, прикрепленной к обечайке 6, и «улиточного канала 12, образованного пористой стенкой 11 и наружной обечайкой 13, на которые нанесена искусственная шероховатость 14.

Реактор работает следуюшим образом.

Реагент поступает в «улиточный канал 12 устройства ввода, фильтруется через кольО)

о | со го

цевую пористую стенку 11 и попадает в распределительный канал 7, откуда в радиальном направлении проходит через слой катализатора 1, в котором протекает соответствующая химическая реакция, затем прореагировавший реагент поступает в отводной канал 9 и покидает реактор.

Рассмотрим работу устройства ввода, при этом считаем, что радиус пористой стенки намного превышает максимальный гидравлический диаметр «улиточного канала. Тогда при моделировании движения жидкости в канале можно пренебречь гидродинамическими эффектами, связанными сего кривизной.

Уравнение движения в проекции на ось «улиточного канала

I р 1/у() l/|-(,)dT

(1)

(2)

осредним по проходному сечению канала при развитом турбулентном течении получим одномерное уравнение

5G

2рЯ1) rff

где G - расход реагента; p - плотность, - коэффициент гидравлического сопротивления; P - давление, F - проходное сечение канала, D - гидравлический диаметр, R - наружный радиус пористой стенки.. Связь между падениями давления в «улиточном и распределительном каналах устанавливается соотношением:

сПр dtp dif

(3)

где Рр - статическое давление в распределительном канале;

АР - перепад давления на пористой кольцевой стенке.

Равномерность раздачи реагента по периметру распределительного канала означает, что AP consi, а dPp/d(. Тогда уравнения динамического согласования для системы «улитка - распределительный канал имеет вид

dP

д

0,

(4)

При равномерном распределении потока расход реагента в «улиточном канале устройства ввода реагента описывается линейной зависимостью

(B-),

(5)

где В - кратность циркуляции. Go - расход на входе в «улиточный канал.

Подставив (4) и (5) в уравнение (2), получим закон изменения проходного сечения «улиточного канала

1,п L В-Ф/2Я .. 2п f dif 4it

f/(,

(6)

(8)

обеспечивающий равномерную раздачу реагента.

Кратность циркуляции не может быть

меньше единицы. Для решение дифференциального уравнения (6) имеет вид

())1Х Xe -A 14| -t«-5 };(7)

Устойчивая работа устройства ввода обеспечивается при равенстве скоростей реагента на входе и выходе из «улиточного канала , т. е.

(B-1)

FO /;

при этом не происходит образования вихря, и, как следствие, нестабильного распределения реагента по окружности пористого слоя. Подставим в уравнение оптимального слияния потоков (8) значения проходных сечений канала (7) и расхода (5) и разрешим относительно величины кратности циркуляции

А.. L l-ife : -i tl

(Fo+/г)()

Условие накладывает ограничение на проходное сечение «улиточного канала и на величину а. Параметр а ограничен сверху величиной, значительно меньшей единицы. С учетом этого уравнение (7) можно упростить и записать как

(1-)()||ф.(10)

Полученное уравнение справедливо для , что приводит к ограничениям

4яа/ЛВ 1 -4яа/г

В

/ , . р .

(И)

Было исследовано движение потока жидкости в каналах с пористыми стенками. Экспериментально установлено, что при движении жидкости в «улиточном канале отсос оказывает турбулирующее воздействие на поток, причем с увеличением отсоса это влияние возрастает. Индукцирование вихрей бугорками искусственной шероховатости также способствует турбулизации потока. Воздействие этих двух факторов на поток жидкости приводит к тому, что движение происходит в автомодельной области течения, т. е. движение потока устойчиво к изменению расхода на входе в «улиточный канал. Значение коэффициента гидравлического сопротивления зависит от соотношения между высотой бугорков шероховатости и гидравлическим диаметром канала и лежит в пределах 0,016-0,085.

Подстановка экспериментально определенных величин приводит к окончательной зависимости

F( -) / Fo+0,004- (о+Л)ф. (12)

Условия, ограничивающие геометрические параметры «улиточного канала, будут иметь вид

f,0,422.(13)

Для проверки полученных результатов изготовляют экспериментальную установку, включающую систему подачи воды, рабочий участок и систему подкраски воды. Рабочий участок является моделью системы ввода реагента в реактор с размерами, отвечающими уравнениям (12) и (13), и представляет собой «улиточный канал с прозрачными стенками. В качестве пористой стенки используют пластмассовое кольцо, в котором просверливают в шахматном порядке отверстия диаметром 3 мм и с шагом 6,5 мм. Внешний радиус кольцевой пористой стенки 90 мм, высота 55 мм, начальное проходное сечение «улиточного канала 1375 мм.

За распределением потока осуществляют визуальное наблюдение. Давление на выходе из пористой стенки измеряют по ее окружности в 12 точках. Экспериментально подтверждают, что сквозь кольцевую пористую стенку «улиточного канала, выполненного с проходным сечением согласно (12), устанавливается равномерный отсос жидкости.

Устройство ввода реагента с «улиточным каналом, выполненным согласно уравнениям (12), (13), позволяет равномерно распределить поток реагента по окружности слоя катализатора с точностью до ощибок эксперимента 1-2%, что показывают замеры давления.

Предлагаемый химический реактор радиального типа обладает следующими технико- экономическими преимуществами по сравнению с известным: во-первых, повышается качество получаемой продукции, во-вторых, срок службы катализатора увеличивается на 20% за счет более рационального его использования.

10

Формула изобретения

Химический реактор радиального типа, содержащий слой катализатора, расположен ный между двумя коаксиальными цилиндрическими решетками, устройство с улиточ- ным каналом и пористой кольцевой стенкой для ввода реагента, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества получаемой продукции и рационального использования катализатора за счет обеспечения равномерного распределения потока реагента по окружности слоя катализатора, улиточный канал выполнен с сужающимся проходным сечением Т-, описываемым уравнением

,( -4Т) + 0.004|(о+/:)

0,2л,

причем конечное проходное сечение улиточного канала ограничено величиной

F, FO, FI - текущее, начальное и конечное проходные сечения улиточного канала; Ф - полярный угол; R - наружный радиус пористой 5кольцевой стенки;

h - высота пористой кольцевой

стенки,

а отнощение наружного радиуса пористой кольцевой стенки к ее высоте меньше 10.

Изобретение относится к конструкции реакторов радиального типа со слоем катализатора и может быть применено в химической промышленности. Цель - повышение качества получаемой продукции и радиональное использование катализатора за счет равномерного распределения потока реагента по окружности слоя катализатора. В химическом реакторе "улиточный" канал выполнен с сужающимся проходным сечением, описываемым уравнением: F=(1-φ)4φ^3/2[F₀+0,004^.R/H^.(F₀+H²)φ

φ @ [0,2φ], причем конечное проходное сечение "улиточного" канала ограничено величиной F₁*980,422RH/10-R/H, а отношение наружного радиуса пористой кольцевой стенки к ее высоте меньше 10. Здесь φ - полярный угол

FO, F₁, F - начальное, конечное и текущее проходные сечения "улиточного" канала, R - наружный радиус кольцевой пористой стенки, H - высота пористой стенки. 2 ил.

. 1 A -A

11

1

r